基于频率响应法的后视镜振动光学稳定性优化

赵婷婷 汪霞 王昌富

（泛亚汽车技术中心有限公司）

基于频率响应法的后视镜振动光学稳定性优化

赵婷婷 汪霞 王昌富

（泛亚汽车技术中心有限公司）

为了解决某项目后视镜光学稳定性试验中出现的失效问题，采用基于频率响应法的CAE方法模拟了光学稳定性试验。建立了频率响应分析流程，通过试验和仿真结果对比可知，采用频率响应分析得出的共振频率与位移响应差异较小，准确再现了失效问题，并提出了相应的改进方案。通过试验验证了分析方法的准确性和改进方案的有效性。

1 前言

在车辆行驶过程中，路面激励、发动机和传动系统的振动激励都会引起车身振动，进而造成后视镜产生一定程度的振动，严重的振动会造成后方视野模糊不清，导致驾驶员因判断失误而引发事故[1]。

后视镜振动光学稳定性一般由台架振动试验评估，目前没有成熟的CAE仿真方法模拟该试验。本文结合某一项目后视镜试验失效案例，对该性能进行了CAE方法研究和对标，通过试验对后视镜优化效果进行了验证。

2 后视镜振动光学稳定性试验

光学稳定性试验常用的设计要求是垂直加速度0.5 g时，后视镜偏移角小于0.13°。

2.1 失效案例

在后视镜光学稳定性试验中，将后视镜安装在模拟实车安装状态的夹具上，对其施加一个垂直加速度为0.5 g的激励，频率在20～250Hz之间，同时向镜面发射激光束，光线经后视镜反射后到达目标靶。激光束由振动改变而产生的偏移角用距离1720 mm的目标靶上测得位移值来表现。

在某后视镜研发过程中，后视镜振动光学稳定性试验失效。12个样本平均共振频率为66 Hz，光斑平均位移值为11 mm，即平均振动角度为0.18°，超出设计目标值。

2.2 试验原理和仿真分析技术路线

后视镜抖动主要包括后视镜自身运动副造成的抖动和后视镜本身刚度不足引发的抖动，且后视镜自身运动副通常是后视镜抖动的主要原因。因此，首先检查了运动副的设计状态，加强运动副刚度后再次进行试验，发现试验结果基本无变化。因此，本文主要关注后视镜本身的刚度。

该后视镜镜面曲率半径r=1 200 mm左右，远大于镜面尺寸，本文将球面镜简化为平面镜。根据光的反射原因，可将光斑大小转换为后视镜自身的抖动幅值，如图1所示，其中，反射光线的夹角等于法线夹角的2倍。

图1中，O为后视镜的固定约束点，根据几何关系可以得出以下公式:

式中，θ1为镜面绕固定点转动角度，即后视镜镜面法向夹角；θ2为后视镜镜片中心的偏移角，即反射光线夹角；d为后视镜镜面振动位移；d为目标靶上的振动位移；L1为后视镜镜片中心到固定约束点的距离；L2为后视镜镜面中心到目标靶的距离。

本文采用频率响应分析方法来再现试验。由于后视镜结构比较复杂，内部存在运动副，而且其材料多为各向异性的塑料，因而后视镜有限元模型需要和试验不断对标调整。图2详细描述了本文的技术路线。

3 仿真分析和试验对标

3.1 后视镜有限元模型的建立

后视镜由10余个零件组装而成，主要结构及材料如图3所示。在Hypermesh的OptiStruct模块下建立后视镜的有限元模型，其中，护罩、镜壳、镜框、装饰罩和镜托板及镜片等厚度均匀的零件采用壳单元建模，单元基本尺寸为3mm；支座、基板和密封圈等采用体单元建模，为了更好的表达加强筋、倒角和卡扣等处的结构特征，本文采用了四面体单元，单元基本尺寸为1 mm。RBE2单元用来模拟各个卡扣和螺栓连接。全部模型有759826个单元，有限元模型如图4所示。

后视镜在承受车身纵向载荷时可以绕销轴转动，销轴局部结构如图5所示。销轴内部有螺旋弹簧，通过销轴连接支座和基板。由于后视镜在垂向激励情况下销轴不发生转动，本文中的有限元模型将销轴的转动副固接，以简化模型。

表1给出了后视镜结构材料的主要性能参数。

表1 材料性能参数表

3.2 有限元模型的模态验证

为了验证模型的准确性，在后视镜与车身连接处约束全部自由度进行模态分析，前3阶频率值与振型如图6所示，与试验对比结果如表2所列。

表2 模态仿真与试验对比结果

根据表2可知，后视镜仿真振型与试验振型基本一致，但仿真频率值明显大于试验值，即后视镜仿真模型比实际结构刚度偏大。

3.3 模态分析模型的影响因素研究

根据模态基础理论可知，系统质量越大，模态频率越小；系统刚度越大，模态频率越小[3]。在模型质量与实际零件质量一致的前提下，模型刚度偏大的可能原因如下:边界约束方式刚度偏大；单元刚度偏大，包括连接单元和实体单元；材料刚度偏大。

边界约束方式:后视镜采用3个螺栓螺接在工装上，目前采用RBE2单元模拟螺栓连接，并约束安装点所有自由度。本文排除该约束方式对后视镜整体模态的影响。

单元类型:模型中销轴内部的弹簧单元在原始分析中简化为刚性连接，为研究其影响，改为弹簧单元，赋予实际刚度。如图7所示，改动后后视镜第1阶模态频率值下降2.3 Hz。原始分析中，实体采用四面体1阶单元模拟。四面体1阶单元只有4个积分点，单元刚度偏大，但计算时间短，效率较高。四面体2阶单元有10个积分点，能更好的模拟实际结构，但自由度增多，计算效率明显下降。从图7还可以看出，采用2阶单元后，第1阶模态频率值下降10.2 Hz，由此可见，该单元积分类型影响很大。经过上述两点修改，第1阶模态频率下降至69.1 Hz。

材料属性:后视镜中的基板材料为尼龙66含50%玻璃纤维（PA66+GF50），属于各项异性材料。各项异性材料的特性是力-位移曲线与加载方向密切相关，加载力方向沿玻璃纤维长度方向时，刚度较高，加载力方向垂直于玻璃纤维长度方向时，刚度较低，如图8所示。为了简化各项异性材料属性的建模，根据经验，采用各项同性的材料建模方式来模拟各项异性材料，因此其弹性模量需要调整。目前得到的PA66+ GF50的弹性模量为12 000 MPa，图9中为各种不同弹性模量对应的模态频率值。根据图9可知，PA66+ GF50弹性模量缩减30%与试验结果一致。

根据以上对系统模态频率影响因子的研究，调整了单元类型和各项异性材料的弹性模量，最终分析模态第1阶频率值与试验值一致。对前3阶模态频率进一步对比如表3所示。

表3 调整后模态仿真与试验对比

由表3可知，调整后模型前3阶频率值与试验值的差异满足要求，该模型可以用于后视镜频率响应分析。

3.4 后视镜频率响应分析

在后视镜与车身连接处约束全部自由度，在连接处施加0.5 g振动激励，振动频率范围为20～250 Hz。采用频率响应分析对台架振动光学稳定性试验进行模拟。频率响应分析方法有直接频率响应与模态频率响应2种方法，其中，模态频率响应利用结构的模态振型来对耦合的运动方程进行缩减和解耦，求解效率高。本文由于模型计算量较大，采用高效的模态频率响应方法。模态阻尼系数g设定直接影响系统振幅，图10为不同模态阻尼系数下后视镜镜面中心振动响应幅值曲线。

根据图10可取得不同阻尼下的共振峰值，根据公式（1）～公式（3），后视镜固定点到测量点距离L1=216 mm，计算出不同阻尼下的后视镜振动旋转角和目标靶上振动位移如表4所列。由表4可得，模态阻尼系数设定为0.04时，分析结果与试验结果最接近。因此，本文认为针对后视镜系统，模态阻尼系数设定为0.04时比较合理，可以在此模型基础上进行优化分析。

表4 不同阻尼下的频响分析结果

4 后视镜结构优化及验证

4.1 后视镜优化方案

首先通过查看应力云图来寻找设计薄弱区。原设计的后视镜基座和基板在共振情况下应力云图如图11所示。加强应力集中位置的刚度有利于提高共振频率，进而减小测量点的共振位移。

根据分析结果可知，应力集中处于部分加强筋根部。综合考虑修模成本和时间，最终确定的改进方案一是增强已有加强筋高度和厚度，二是在可以加强的位置增加加强筋，具体方案见图12和图13。

4.2 后视镜优化方案验证

表5为优化前、后的CAE仿真结果对比。根据该优化方案，对后视镜进行了样件试验，表6给出了优化方案CAE仿真分析结果与试验结果之间的差异。从表5和表6可见，CAE分析的准确度很高，改进方案效果很好。

表5 优化前、后CAE仿真分析结果对比

表6 CAE仿真分析结果与试验结果对比

5 结束语

采用频率响应分析方法有效解决了某项目中后视镜光学振动稳定性失效问题。介绍了光学振动试验原理，通过CAE方法再现了该试验。通过试验和仿真结果对比可知，采用频率响应分析得出的共振频率与位移响应差异较小，能较准确的再现问题。此外，该分析流程应用在后视镜开发项目中，可以在设计前期掌控后视镜光学稳定性这一重要性能，避免设计后期进行模具修改。

1唐乾.后视镜的使用学问.汽车运用，2007，5:7～8.

2兰靛靛.基于实验模态分析的后视镜结构动态修改.噪声与振动控制.2008，10:120～121.

3傅志方，华宏星.模态分析理论与应用.上海:上海交通大学出版社，2000.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年11月1日。

Optical vibration Stability Optimization of Rearview Mirror Base on the Frequency Response Method

Zhao Tingting，Wang Xia，Wang Changfu
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd）

In order to find the cause of optical stability failure of rearview mirror of a vehicle in the validation test，we use frequency response-based CAE method to simulate the optical stability test and establish the analysis process of the frequency response.It is known from comparison between test and simulation results that the resonance frequency obtained from frequency response analysis differs slightly from displacement response，which accurately reproduces the failure，from which we put forward a corresponding solution.Finally，we use test to verify the accuracy of the analysis method and the effectiveness of the solution.

Rearview mirror，Vibration frequency response，Optical stability

后视镜振动频率响应光学稳定性

U463.85+6

A

1000-3703（2014）12-0009-04